王少杰

摘要：供水管道作為城市基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分，必須能夠承受外界環(huán)境的影響并保持正常運(yùn)行。以馬翁地區(qū)的供水管道為研究背景，通過(guò)有限元，對(duì)管道不同溫度下各參數(shù)對(duì)受力變形的影響展開(kāi)研究。研究結(jié)果表明：管道的最大位移隨著溫度的升高，先減小后增大，在溫度為20℃時(shí)達(dá)到最小值，在溫度不變的情況下，埋深與管道的最大位移呈負(fù)相關(guān)。

關(guān)鍵詞：馬翁地區(qū)；供水管道；受力變形；溫度；應(yīng)力

0? ?引言

供水管道作為城市基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分，必須能夠承受外界環(huán)境的影響并保持正常運(yùn)行。溫度是影響管道性能和穩(wěn)定性的主要因素之一[1-3]。溫度變化會(huì)導(dǎo)致管道材料的膨脹和收縮，進(jìn)而產(chǎn)生應(yīng)力和變形[4]。管道的溫度變化還與供水系統(tǒng)的穩(wěn)定性和效率密切相關(guān)[5]。管道材料的熱傳導(dǎo)性能、熱膨脹系數(shù)以及各部件的熱膨脹補(bǔ)償措施等因素，都會(huì)對(duì)管道的熱力學(xué)性能產(chǎn)生影響。

馬翁地區(qū)的氣候條件在不同季節(jié)呈現(xiàn)明顯的溫度變化，高溫環(huán)境下，供水管道容易發(fā)生膨脹變形，而低溫環(huán)境則容易引起管道的收縮和凍裂[6]。本文以博茨瓦納北部某項(xiàng)目為研究背景，通過(guò)有限元，對(duì)馬翁地區(qū)供水管道受力變形受溫度的影響展開(kāi)研究，以為提高供水系統(tǒng)的安全性、穩(wěn)定性和效率提供參考。

1? ?工程概況

該項(xiàng)目所在的馬翁地區(qū)位于博茨瓦納北部，臨近奧卡萬(wàn)戈三角州，總體地表起伏較小，屬熱帶草原氣候，雨季降雨集中。地貌以起伏高原為主，間有河谷。地上地勢(shì)較為平坦，無(wú)較大起伏。地表多碎石，不利于挖掘工作開(kāi)展，地下水水位較深，雨季降雨量大。地下部分因項(xiàng)目部分管線(xiàn)經(jīng)過(guò)市區(qū)，地下市政管線(xiàn)較為復(fù)雜，拆遷工作量較大。據(jù)地勘資料顯示部分工程所在區(qū)域地下分布淺埋巖體，不利于挖掘工作開(kāi)展。

該項(xiàng)目新建三個(gè)井場(chǎng)、一個(gè)小型增壓泵站、一個(gè)水處理廠(chǎng)（包括1座水處理廠(chǎng)房、1個(gè)蒸發(fā)池、1個(gè)泵房、1個(gè)小型實(shí)驗(yàn)室）及多個(gè)蓄水池，新建供水管道長(zhǎng)109.4km。

2? ?有限元模型建立

本文采用線(xiàn)彈性模型對(duì)管道材料的特性進(jìn)行模擬，PE管厚度為3mm，內(nèi)徑為25mm，PE管道外壁包裹一層厚0.03m的保溫材料。采用摩爾庫(kù)倫模型對(duì)填土進(jìn)行模擬，土體的內(nèi)摩擦角為18.3°，粘聚力為32kPa，膨脹角為9.8°，泊松比為0.37。PE管和土體的比熱分別為2300J/kg·K、1585J/kg·K，PE管和土體的傳導(dǎo)率分別為0.056W/m·K、1.344W/m·K。

為避免邊界效應(yīng)的影響，本模型的尺寸設(shè)為6.9m×

1.2m×4m。模型的網(wǎng)格劃分尺寸如下：土體全局0.035m，開(kāi)洞處0.025m，管道0.013m×0.02m，模型底部為固定約束，四周約束其X、Z方向位移共生成2800個(gè)單元和2911個(gè)節(jié)點(diǎn)。初始的土體溫度設(shè)定為20℃，管內(nèi)壁為23℃。

3? ?受力變形影響因素分析

3.1? ?不同埋深對(duì)管道受力的影響

在不同地表溫度下，不同埋深對(duì)供水管道的最大應(yīng)力-應(yīng)變和最大位移的影響如圖1所示。

3.1.1? ?不同埋深對(duì)供水管道最大應(yīng)力-應(yīng)變影響

由圖1a可知，隨著溫度的升高，管道的最大應(yīng)力呈現(xiàn)遞減的趨勢(shì)。當(dāng)溫度超過(guò)10℃時(shí)，埋深對(duì)不同溫度下的管道最大應(yīng)力無(wú)影響。當(dāng)埋深小于10m時(shí)，埋深越大管道的最大應(yīng)力越大，兩者呈正相關(guān)。

材料溫度變化時(shí)會(huì)發(fā)生熱膨脹或收縮，而不同材料的熱膨脹系數(shù)不同。當(dāng)溫度升高時(shí)，管道材料會(huì)因熱膨脹而產(chǎn)生應(yīng)力。隨著溫度升高，材料的熱膨脹系數(shù)逐漸下降，從而導(dǎo)致管道的最大應(yīng)力呈現(xiàn)遞減的趨勢(shì)。埋深較大的管道受到地下溫度的影響較小，地下溫度相對(duì)較穩(wěn)定，為此當(dāng)溫度超過(guò)一定閾值（10℃）時(shí)，管道埋深對(duì)管道最大應(yīng)力的影響較小。

3.1.2? ?不同埋深對(duì)供水管道最大位移的影響

由圖1b可知，管道的最大位移隨著溫度的升高，先減小后增大，在溫度為20℃時(shí)達(dá)到最小值，在溫度不變的情況下，埋深與管道的最大位移呈負(fù)相關(guān)。

3.2? ?管徑對(duì)供水管道最大應(yīng)變-位移和最大應(yīng)力影響

不同管徑對(duì)供水管道最大應(yīng)變-位移和最大應(yīng)力影響如圖2所示。

3.2.1? ?管徑對(duì)管道最大應(yīng)力的影響

由圖2a可知，當(dāng)溫度超過(guò)30℃時(shí)，隨著溫度的升高，管道的最大應(yīng)力逐漸減小。當(dāng)溫度小于30℃時(shí)，管道的最大應(yīng)力受溫度的影響較小。在同一溫度條件下，管徑越小管道的最大應(yīng)力越大。

溫度升高會(huì)減小管道材料的剛度，使得管道在受到外部負(fù)荷時(shí)更容易發(fā)生彎曲和變形。較大的變形可以緩解管道內(nèi)應(yīng)力的集中，從而降低最大應(yīng)力的大小。

然而在溫度低于30℃時(shí)，管道材料的熱膨脹所導(dǎo)致的應(yīng)力釋放較小，管道的剛度相對(duì)較高，不容易發(fā)生較大的彎曲和變形，因此溫度對(duì)管道的最大應(yīng)力影響較小。小直徑的管道由于相對(duì)較小的橫截面積，在受到相同的外部負(fù)荷作用時(shí)，其應(yīng)力集中程度更高，因此最大應(yīng)力也更大。

3.2.2? ?管徑對(duì)管道應(yīng)變-位移的影響

由圖2b可知，隨著溫度的升高，管道的最大應(yīng)變逐漸遞增，管徑與管道應(yīng)變呈負(fù)相關(guān)，管徑變化引起的管道應(yīng)變的變化幅度較小。

管道材料具有一定的彈性，當(dāng)受到應(yīng)變時(shí)，會(huì)產(chǎn)生彈性變形，以適應(yīng)外部應(yīng)力。較小的管徑由于截面面積小，材料受應(yīng)變時(shí)的彈性變形限制相對(duì)較小。因此管徑變化引起的管道應(yīng)變的變化幅度較小，管徑越大管道的最大位移越大。

在溫度變化時(shí)，管道的位移與其截面積有關(guān)。較大的管徑對(duì)應(yīng)較大的截面面積，意味著管道中更多的材料承擔(dān)熱膨脹或冷縮引起的位移，因此較大的管徑可能導(dǎo)致更大的管道位移。隨著溫度的變化，管道的最大位移先減小后增大，在溫度為20℃時(shí)為最小值。

3.3? ?壁厚對(duì)管道受力的影響

在不同地表溫度下，不同管道壁厚對(duì)供水管道的最大應(yīng)力-應(yīng)變和最大應(yīng)力的影響如圖3所示。

3.3.1? ?壁厚對(duì)管道應(yīng)力-應(yīng)變的影響

由圖3a可知，管壁越厚，管道的最大應(yīng)力越小，管道的最大應(yīng)變也最小。管道壁厚增加會(huì)導(dǎo)致管道的截面積增加，從而分布到管道截面上的應(yīng)力減小。根據(jù)材料的彈性原理，當(dāng)外部負(fù)載作用于管道時(shí)，應(yīng)力會(huì)通過(guò)管道的橫截面進(jìn)行傳遞。

通過(guò)增加管壁的厚度，可以擴(kuò)散應(yīng)力并降低應(yīng)力的集中程度，從而降低管道的最大應(yīng)力。較厚的管道壁能夠提供更多的材料來(lái)承受變形，可以提高管道的剛度和抵抗變形的能力。此外，較厚的管道壁通常具有較小的截面變化，可使管道壁具備足夠剛性，為此不容易發(fā)生形狀變化。

3.3.2? ?壁厚對(duì)管道最大位移的影響

由圖3b可知，壁厚越大，管道的最大位移越大。較厚的管壁能夠提供更高的剛度和強(qiáng)度，具有更大的抗彎能力。當(dāng)外部載荷應(yīng)用于管道時(shí)，較厚道壁能夠更好地抵抗彎曲和變形，因此管道在受載情況下的最大位移相對(duì)較大。

較薄的管道壁相對(duì)較柔軟，其抗彎能力較弱。在承受外部載荷時(shí)，較薄的管道壁會(huì)更容易發(fā)生彎曲和變形，導(dǎo)致管道的最大位移較小。

4? ?結(jié)束語(yǔ)

本文以馬翁地區(qū)的供水管道項(xiàng)目為研究背景，借助有限元模擬軟件，分析不同溫度環(huán)境下埋深、管徑、壁厚等參數(shù)對(duì)供水管道受力變形的影響，具體結(jié)論如下：

隨著溫度的升高，管道的最大應(yīng)力呈現(xiàn)遞減的趨勢(shì)。當(dāng)溫度超過(guò)10℃時(shí)，埋深對(duì)不同溫度下的管道最大應(yīng)力無(wú)影響，當(dāng)埋深小于10m時(shí)，埋深越大，管道的最大應(yīng)力越大，兩者呈正相關(guān)。

當(dāng)溫度超過(guò)30℃時(shí)，隨著溫度的升高，管道的最大應(yīng)力逐漸減小，當(dāng)溫度小于30℃時(shí)，管道的最大應(yīng)力受溫度的影響較小。

管壁越厚，管道的最大應(yīng)力越小，管道的最大應(yīng)變也最小。

參考文獻(xiàn)

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